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JP2016024951A - Solid-state oxide fuel battery - Google Patents

Solid-state oxide fuel battery Download PDF

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JP2016024951A
JP2016024951A JP2014148119A JP2014148119A JP2016024951A JP 2016024951 A JP2016024951 A JP 2016024951A JP 2014148119 A JP2014148119 A JP 2014148119A JP 2014148119 A JP2014148119 A JP 2014148119A JP 2016024951 A JP2016024951 A JP 2016024951A
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JP
Japan
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conductive material
fuel cell
material layer
solid oxide
layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP2014148119A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
智昭 平井
Tomoaki Hirai
智昭 平井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP2014148119A priority Critical patent/JP2016024951A/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state oxide fuel battery in which the electrical connection between layers can be kept even when exfoliation between the layers upon application of a thermal cycle or the like, and thus reliability of the electrical connection can be enhanced.SOLUTION: In a solid-state oxide fuel battery 1, plural solid oxide type fuel battery cells 2 are stacked, and at a portion where the fuel battery cells 2, 2 are stacked, a metal layer 10 is disposed between one fuel battery cell 2 and the other fuel battery cell 2, and plural minute electrically conductive layers 11 for electrically connecting the fuel battery cell and the metal layer, and porous electrically conductive layers 11b are combined and arranged alternately in parallel side by side at a connection face on the fuel battery cell 2 side and at a connection face on the metal layer 10 side.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、複数の固体酸化物形の燃料電池セルが積層されている固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell in which a plurality of solid oxide fuel cells are stacked.

固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell、固体電解質形燃料電池ともいう)は、燃料極(アノード):H+O2−→HO+2e、空気極(カソード):(1/2)O+2e→O2−の反応により、電気エネルギーを取り出す装置である。電気エネルギーを連続的に取り出すため、反応を連続的に行う必要があり、そのため、アノードガスとしての燃料ガス(例えばH)およびカソードに供給されるカソードガスとしての空気(O)等の酸化剤ガスを連続して供給する。固体酸化物形燃料電池においては、十分な電圧を得るために、複数の燃料電池セルが積層されている。それによって、燃料電池(燃料電池スタック)が構成されている。燃料電池スタックは、セラミックスの共焼結によって製作することができるが、焼成時の熱収縮挙動から生じる反りを防止するために、アノードガス流通路の幅およびカソードガス流通路の幅を特定の関係を有するように設けることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 A solid oxide fuel cell (also referred to as SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) is a fuel electrode (anode): H 2 + O 2− → H 2 O + 2e , an air electrode (cathode): (1 / 2) A device for extracting electric energy by a reaction of O 2 + 2e → O 2− . In order to continuously extract electric energy, it is necessary to perform the reaction continuously. Therefore, oxidation of fuel gas (for example, H 2 ) as an anode gas and air (O 2 ) as a cathode gas supplied to the cathode is performed. The agent gas is continuously supplied. In a solid oxide fuel cell, a plurality of fuel cells are stacked in order to obtain a sufficient voltage. Thereby, a fuel cell (fuel cell stack) is configured. Fuel cell stacks can be fabricated by co-sintering ceramics, but the anode gas flow path width and cathode gas flow path width have a specific relationship to prevent warpage resulting from thermal shrinkage behavior during firing. It has been proposed to provide such that (see, for example, Patent Document 1).

また、セラミックスの熱伝導率は比較的低いため、セラミックスを用いた燃料電池セルの積層数を増加させると、発電によって生じた熱が燃料電池スタックの中心付近にこもり易くなる。そのため、燃料電池セル面において熱分布が生じ、熱応力によるセルの割れが生じるおそれがあった。他方、セル間に金属膜や金属板などの金属層を配置することにより、熱分布の不均一性を緩和する方法も知られている(例えば、特許文献2参照)。   In addition, since the thermal conductivity of ceramics is relatively low, if the number of fuel cell stacks using ceramics is increased, the heat generated by power generation tends to stay in the vicinity of the center of the fuel cell stack. For this reason, heat distribution is generated on the surface of the fuel cell, and there is a possibility that the cell is cracked due to thermal stress. On the other hand, a method of reducing nonuniformity of heat distribution by arranging a metal layer such as a metal film or a metal plate between cells is also known (see, for example, Patent Document 2).

特開2009−252474号公報JP 2009-252474 A 特開2006−310005号公報JP 2006-310005 A

この場合には、熱応力による影響を少なくすることができる。しかしながら、金属とセラミックスとの熱膨張係数がかなり異なるため、金属とセラミックスとの間での剥離が生じるおそれがあった。そして、前記の方法では、金属とセラミックスとが直接接触することによって電気的接続が達成されていたため、上記のような剥がれが生じると、電気的接続が絶たれてしまうという問題があった。   In this case, the influence of thermal stress can be reduced. However, since the thermal expansion coefficients of the metal and the ceramic are considerably different, there is a possibility that separation between the metal and the ceramic occurs. And in the said method, since the electrical connection was achieved by the metal and ceramics contacting directly, when the above peeling occurred, there existed a problem that an electrical connection will be interrupted.

本発明は上記問題点を解決するものであり、熱サイクルが加わった場合などに層間の剥離などが生じたとしても、層間の電気的接続を維持することができ、電気的接続の信頼性が高められている、固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described problems, and even when peeling between layers occurs when a thermal cycle is applied, the electrical connection between the layers can be maintained, and the reliability of the electrical connection is improved. An object is to provide an enhanced solid oxide fuel cell.

上記目的を達成するために、本発明の固体酸化物形燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層されている構造を有する。本発明の固体酸化物形燃料電池は、積層されている複数の固体酸化物形燃料電池セルと、燃料電池セル同士が積層されている部分において、一方の燃料電池セルと、他方の燃料電池セルとの間に配置されている金属層と、前記金属層と、前記燃料電池セルとを電気的に接続するように前記金属層と前記燃料電池セルとの間に配置されている導電材層とを備え、
前記導電材層は、気孔率の小さい緻密導電材からなる緻密導電材層と、気孔率の大きい多孔質導電材からなる多孔質導電材層とを組み合わせて構成されており、
前記緻密導電材層は、前記燃料電池セルと前記金属層とを電気的に接続しており、
前記緻密導電材層と前記多孔質導電材層とは、前記燃料電池セル側の接続面および前記金属層側の接続面において、並列かつ交互に複数並ぶように配置されている。
In order to achieve the above object, the solid oxide fuel cell of the present invention has a structure in which a plurality of fuel cells are stacked. The solid oxide fuel cell of the present invention includes a plurality of stacked solid oxide fuel cells, and one fuel cell and the other fuel cell in a portion where the fuel cells are stacked. A conductive layer disposed between the metal layer and the fuel cell so as to electrically connect the metal layer and the fuel cell. With
The conductive material layer is configured by combining a dense conductive material layer made of a dense conductive material having a low porosity and a porous conductive material layer made of a porous conductive material having a high porosity,
The dense conductive material layer electrically connects the fuel cell and the metal layer,
The dense conductive material layer and the porous conductive material layer are arranged in parallel and alternately in a plurality on the connection surface on the fuel cell side and the connection surface on the metal layer side.

本発明の固体酸化物形燃料電池のある特定の局面においては、前記多孔質導電材層間において、前記緻密導電材層は、前記燃料電池セルと前記金属層とを結ぶ方向に間隙を有している。   In a specific aspect of the solid oxide fuel cell according to the present invention, between the porous conductive material layers, the dense conductive material layer has a gap in a direction connecting the fuel cell and the metal layer. Yes.

本発明の固体酸化物形燃料電池のさらに他の特定の局面においては、前記間隙部分には、気孔率の大きい多孔質導電材が配されている。   In still another specific aspect of the solid oxide fuel cell of the present invention, a porous conductive material having a high porosity is disposed in the gap portion.

本発明の固体酸化物形燃料電池において、前記多孔質導電材の気孔率は、20〜90%の範囲内にあることが好ましい。   In the solid oxide fuel cell of the present invention, the porosity of the porous conductive material is preferably in the range of 20 to 90%.

本発明の固体酸化物形燃料電池において、前記多孔質導電材は、LaSrMnO、LaSrCoO、LaSrCoFeO、MnCoO、SmSrCoO、LaCaMnO、LaCaCoO、LaCaCoFeO、LaNiFeO、(LaSr)NiOからなる群から選択された少なくとも1種の材料を主体とする導電セラミックスであることが好ましい。 In the solid oxide fuel cell of the present invention, the porous conductive material is, LaSrMnO 3, LaSrCoO 3, LaSrCoFeO 3, MnCoO 3, SmSrCoO 3, LaCaMnO 3, LaCaCoO 3, LaCaCoFeO 3, LaNiFeO 3, (LaSr) 2 NiO Preferably, the conductive ceramic is mainly composed of at least one material selected from the group consisting of four .

本発明の固体酸化物形燃料電池において、前記緻密導電材の気孔率は、0〜20%の範囲内にあることが好ましい。   In the solid oxide fuel cell of the present invention, the dense conductive material preferably has a porosity in the range of 0 to 20%.

本発明の固体酸化物形燃料電池において、前記緻密導電材は、LaSrMnO、LaSrCoO、LaSrCoFeO、MnCoO、SmSrCoO、LaCaMnO、LaCaCoO、LaCaCoFeO、LaNiFeO、(LaSr)NiOからなる群から選択された少なくとも1種の材料を主体とする導電セラミックス、または、Pt、Pd、Ag、Au、Ru、Rh、Ni、Fe、Crおよびこれらの金属を主体とする合金からなる群から選択された少なくとも1種の金属を主体とすることが好ましい。 In the solid oxide fuel cell of the present invention, the dense conductive material, LaSrMnO 3, LaSrCoO 3, LaSrCoFeO 3, MnCoO 3, SmSrCoO 3, LaCaMnO 3, LaCaCoO 3, LaCaCoFeO 3, LaNiFeO 3, (LaSr) 2 NiO 4 Conductive ceramics mainly composed of at least one material selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Au, Ru, Rh, Ni, Fe, Cr, and alloys mainly composed of these metals Preferably, the main component is at least one metal selected from the group consisting of:

本発明の固体酸化物形燃料電池によれば、熱サイクルが加わり、導電材層と金属層および/または燃料電池セルとの間に部分的に剥離が起こったとしても、燃料電池セルと金属層とを電気的に接続する緻密導電材層は、接続面において面方向に延びるように形成されているため、導電パス自体は失われない。したがって、導電材層は、金属層および燃料電池セルとの間で電気的な接続を維持することができる。よって、電気的接続の信頼性を高めることができる。   According to the solid oxide fuel cell of the present invention, even if a thermal cycle is applied and partial delamination occurs between the conductive material layer and the metal layer and / or the fuel cell, the fuel cell and the metal layer Since the dense conductive material layer that electrically connects the two is formed to extend in the surface direction on the connection surface, the conductive path itself is not lost. Therefore, the conductive material layer can maintain an electrical connection between the metal layer and the fuel battery cell. Therefore, the reliability of electrical connection can be improved.

この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。   The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the drawings.

図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の要部を示す略図的正面断面図である。図1(b)は、導電材層を図1(a)において上面から見た平面図である。FIG. 1A is a schematic front cross-sectional view showing a main part of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. FIG.1 (b) is the top view which looked at the electrically-conductive material layer from the upper surface in Fig.1 (a). 本発明の第1の実施形態の燃料電池に用いられている1つの燃料電池セルの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of one fuel battery cell used for the fuel battery of the 1st Embodiment of this invention. 第1の実施形態に係る燃料電池に用いられている1つの燃料電池セルの平面図である。It is a top view of one fuel battery cell used for the fuel battery concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態の燃料電池を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a fuel cell according to a first embodiment. 図5は、第1の実施形態における導電材層を、図1(b)においてI−I方向に見た断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the conductive material layer according to the first embodiment when viewed in the II direction in FIG. 図6(a)は、比較例の導電材層を上面から見た平面図である。図6(b)は、比較例の導電材層を、図6(a)においてII−II方向に見た断面図である。FIG. 6A is a plan view of the conductive material layer of the comparative example as viewed from above. FIG. 6B is a cross-sectional view of the conductive material layer of the comparative example as viewed in the II-II direction in FIG. 図7は、本発明の第2の実施形態の燃料電池に用いられている導電材層を上面から見た平面図である。FIG. 7 is a plan view of the conductive material layer used in the fuel cell according to the second embodiment of the present invention as seen from above. 図8は、本発明の第3の実施形態の燃料電池に用いられている導電材層を上面から見た平面図である。FIG. 8 is a plan view of the conductive material layer used in the fuel cell according to the third embodiment of the present invention as seen from above.

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定および制限されない。なお、以下で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited or limited to the following examples. The drawings referred to below are schematically described, and the ratio of the dimensions of objects drawn in the drawings may be different from the ratio of dimensions of actual objects. The dimensional ratio of the object may be different between the drawings.

(第1の実施形態)
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の略図的正面断面図である。燃料電池1においては、上方の燃料電池セル2と、下方の燃料電池セル2とが接合部4を介して接合されている。図1(a)においては、2つの燃料電池セル2,2を示したが、本実施形態においては、さらに他の接合部4を介して両側の燃料電池セル2,2が積層されている構造がさらに連ねられている。
(First embodiment)
FIG. 1A is a schematic front sectional view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. In the fuel cell 1, the upper fuel cell 2 and the lower fuel cell 2 are joined via a joint 4. Although FIG. 1A shows two fuel cells 2, 2, in the present embodiment, the structure in which the fuel cells 2, 2 on both sides are stacked via another joint 4. Are further lined up.

また、図1(a)においては、燃料電池セル2,2は、その設けられている位置のみを略図的に示している。図2および図3を参照して、1つの燃料電池セル2の詳細を説明する。   Moreover, in Fig.1 (a), only the position in which the fuel cell 2 and 2 is provided is shown schematically. Details of one fuel cell 2 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

図2に示すように、燃料電池セル2は、固体酸化物電解質層7を有する。固体酸化物電解質層7は、イオン導電性が高いセラミックスからなる。このような材料としては、例えば、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどを挙げることができる。より具体的には、YやScにより安定化されたジルコニアが挙げられる。安定化ジルコニアとしては、例えば、10モル%イットリア安定化ジルコニア(10YSZ)、11モル%スカンジア安定化ジルコニア(11ScSZ)などを挙げることができる。部分安定化ジルコニアとしては、例えば、3モル%イットリア部分安定化ジルコニア(3YSZ)などを挙げることができる。   As shown in FIG. 2, the fuel battery cell 2 has a solid oxide electrolyte layer 7. The solid oxide electrolyte layer 7 is made of a ceramic having high ionic conductivity. Examples of such materials include stabilized zirconia and partially stabilized zirconia. More specifically, zirconia stabilized by Y or Sc is mentioned. Examples of the stabilized zirconia include 10 mol% yttria stabilized zirconia (10YSZ) and 11 mol% scandia stabilized zirconia (11ScSZ). Examples of the partially stabilized zirconia include 3 mol% yttria partially stabilized zirconia (3YSZ).

なお、上記固体酸化物電解質層7を構成する材料は上記に限定されず、SmやGdがドープされたセリア系酸化物や、La0.8Sr0.2Ga0.8Me0.2(3−δ)などのペロブスカイト型酸化物などにより形成してもよい。なお、δは、3未満の正の数を示す。 Incidentally, the material constituting the solid oxide electrolyte layer 7 is not limited to the above, Sm and Gd-doped ceria-based oxide and, La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Me 0.2 O You may form by perovskite type oxides, such as (3-delta) . Δ represents a positive number less than 3.

固体酸化物電解質層7には、貫通孔7aと貫通孔7bとが設けられている。貫通孔7aは、燃料ガス流路を構成している。貫通孔7bは、酸化剤ガスとしての空気を通す空気流路を構成している。   The solid oxide electrolyte layer 7 is provided with a through hole 7a and a through hole 7b. The through hole 7a constitutes a fuel gas flow path. The through hole 7b constitutes an air flow path through which air as an oxidant gas passes.

固体酸化物電解質層7の上方に燃料極層6が積層されている。燃料極層6は、Niを含むイットリア安定化ジルコニアや、Niを含むスカンジア安定化ジルコニアなどにより構成することができる。燃料極層6には、燃料ガス流路を構成するスリット6aと、空気流路を構成するスリット6bとが設けられている。   A fuel electrode layer 6 is laminated above the solid oxide electrolyte layer 7. The fuel electrode layer 6 can be composed of yttria-stabilized zirconia containing Ni, scandia-stabilized zirconia containing Ni, or the like. The fuel electrode layer 6 is provided with a slit 6a constituting a fuel gas flow path and a slit 6b constituting an air flow path.

上記燃料極層6上にセパレータ5が積層されている。セパレータ5は、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどにより形成され得る。セパレータ5に、貫通孔5a,5bが形成されている。貫通孔5aは、燃料ガス流路を構成している。貫通孔5bは、空気流路を構成している。   A separator 5 is laminated on the fuel electrode layer 6. The separator 5 can be formed of stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, or the like. Through holes 5 a and 5 b are formed in the separator 5. The through hole 5a constitutes a fuel gas flow path. The through hole 5b constitutes an air flow path.

他方、セパレータ5には、電気を取り出すための複数本のインターコネクタ5cがセパレータ5の上面から下面を貫くように設けられている。すなわち、ビアホール導体により各インターコネクタ5cが形成されている。複数本のインターコネクタ5cは、上記燃料極層6に電気的に接続されている。   On the other hand, the separator 5 is provided with a plurality of interconnectors 5 c for taking out electricity so as to penetrate the lower surface from the upper surface of the separator 5. That is, each interconnector 5c is formed by a via-hole conductor. The plurality of interconnectors 5 c are electrically connected to the fuel electrode layer 6.

インターコネクタ5cの材質は、特に限定されない。インターコネクタ5cは、例えば、Ag−Pd合金、Ag−Pt合金、アルカリ土類金属を添加したランタンクロマイト(LaCrO)、ランタンフェレート(LaFeO)や、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM:Lanthanum Strontium Manganite)等により形成することができる。 The material of the interconnector 5c is not particularly limited. The interconnector 5c includes, for example, an Ag—Pd alloy, an Ag—Pt alloy, lanthanum chromite (LaCrO 3 ) added with an alkaline earth metal, lanthanum ferrate (LaFeO 3 ), lanthanum strontium manganite (LSM). ) Or the like.

他方、固体酸化物電解質層7の下方には、空気極層8およびセパレータ9が積層されている。空気極層8には、燃料ガス流路を構成するスリット8aと、空気流路を構成するスリット8bとが設けられている。空気極層8は、電子伝導性が高く、かつ多孔質の材料からなることが好ましい。このような空気極層8は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、Gdがドープされたセリア、Snがドープされた酸化インジウム、PrCoO系酸化物、LaCoO系酸化物、またはLaMoO系酸化物などにより形成することができる。LaMoO系酸化物としては、例えば、La0.8Sr0.2MnO(以下においてLSMと略す)や、La0.6Ca0.4MnOなどが挙げられる。 On the other hand, an air electrode layer 8 and a separator 9 are laminated below the solid oxide electrolyte layer 7. The air electrode layer 8 is provided with a slit 8a that constitutes a fuel gas passage and a slit 8b that constitutes an air passage. The air electrode layer 8 is preferably made of a porous material having high electron conductivity. Such an air electrode layer 8 includes, for example, scandia-stabilized zirconia (ScSZ), ceria doped with Gd, indium oxide doped with Sn, PrCoO 3 oxide, LaCoO oxide, or LaMoO 3 oxide. It can be formed by things. Examples of the LaMoO 3 oxide include La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (hereinafter abbreviated as LSM) and La 0.6 Ca 0.4 MnO 3 .

セパレータ9はセパレータ5と同様に構成されている。従って、燃料ガス流路を構成する貫通孔9aと、空気流路を構成する貫通孔9bと、複数本のインターコネクタ9cとを有する。   The separator 9 is configured similarly to the separator 5. Therefore, it has the through-hole 9a which comprises a fuel gas flow path, the through-hole 9b which comprises an air flow path, and the several interconnector 9c.

燃料電池セル2は、各構成部材について、上記に示す材料をバインダーおよび溶媒と混合、成形して、所定の形状のグリーンシートとして準備し、これらグリーンシートを積層して圧着する積層圧着工程と、得られた積層体を共焼結することによって一体化する焼成工程を経て、得ることができる。   The fuel battery cell 2 is prepared by mixing and molding the materials shown above with a binder and a solvent for each component, preparing a green sheet having a predetermined shape, and laminating and crimping these green sheets, It can obtain through the baking process integrated by co-sintering the obtained laminated body.

図3は、この単一の燃料電池セル2の平面図を示す。図3に示すように燃料電池セル2は、平面視した場合、十字状の流路構成部2aと、流路構成部2aで区画された4つの発電部2b,2c,2d,2eとを有する。そして、発電部2b〜2eの上面には上記インターコネクタ5cが露出している。   FIG. 3 shows a plan view of the single fuel cell 2. As shown in FIG. 3, the fuel battery cell 2 has a cross-shaped flow path component 2a and four power generation units 2b, 2c, 2d, and 2e partitioned by the flow path component 2a when viewed in plan. . And the said interconnector 5c is exposed to the upper surface of the electric power generation parts 2b-2e.

本実施形態の燃料電池1においては、このような燃料電池セル2が複数積層されている。図4は、燃料電池1を示す斜視図である。図4に示すように、燃料電池1においては、燃料電池セル2,2,2は接合部4,4を介して積層されている。   In the fuel cell 1 of the present embodiment, a plurality of such fuel cells 2 are stacked. FIG. 4 is a perspective view showing the fuel cell 1. As shown in FIG. 4, in the fuel cell 1, the fuel cells 2, 2, 2 are stacked via joints 4, 4.

図1(a)に示すように、本実施形態の燃料電池1の特徴は、燃料電池セル2と燃料電池セル2とを接合している接合部4の構成にある。   As shown in FIG. 1A, the fuel cell 1 according to the present embodiment is characterized by the structure of a joint 4 that joins the fuel cell 2 and the fuel cell 2.

接合部4は、上方の燃料電池セル2と下方の燃料電池セル2とを物理的に接合し一体化するとともに、上方の燃料電池セル2と下方の燃料電池セル2とを電気的に直列に接続している。接合部4には、熱を中央に集中させないため、および、上方の燃料電池セル2と下方の燃料電池セル2とを電気的に接続するために、金属層10が設けられている。   The joint 4 physically joins and integrates the upper fuel cell 2 and the lower fuel cell 2, and electrically connects the upper fuel cell 2 and the lower fuel cell 2 in series. Connected. The joint 4 is provided with a metal layer 10 so as not to concentrate heat in the center and to electrically connect the upper fuel cell 2 and the lower fuel cell 2.

金属層10は、本実施形態においては、金属板からなる。この金属板を構成する材料としては、特に限定されないが、燃料電池セル2を構成しているセラミックスと熱膨張係数が近い金属を用いることが望ましい。このような材料としては、好ましくは、フェライト系ステンレスを用いることができる。フェライト系ステンレスの熱膨張係数は、ジルコニアと熱膨張係数が近い。また、フェライト系ステンレスは耐熱性に優れている。従って、フェライト系ステンレスが好ましい。   In the present embodiment, the metal layer 10 is made of a metal plate. The material constituting the metal plate is not particularly limited, but it is desirable to use a metal having a thermal expansion coefficient close to that of the ceramic constituting the fuel cell 2. As such a material, preferably, ferritic stainless steel can be used. The thermal expansion coefficient of ferritic stainless steel is close to that of zirconia. Ferritic stainless steel has excellent heat resistance. Accordingly, ferritic stainless steel is preferred.

もっとも、上記金属層10を構成する材料は特に限定されず、他の金属を用いてもよい。   But the material which comprises the said metal layer 10 is not specifically limited, You may use another metal.

金属層10の上面および下面には、それぞれ導電材層11が設けられている。導電材層11は、金属層10と、燃料電池セル2とを電気的に接続するように金属層10と燃料電池セル2との間に配置される。   Conductive material layers 11 are respectively provided on the upper surface and the lower surface of the metal layer 10. The conductive material layer 11 is disposed between the metal layer 10 and the fuel cell 2 so as to electrically connect the metal layer 10 and the fuel cell 2.

導電材層11は、気孔率の小さい緻密導電材からなる緻密導電材層11aと、気孔率の大きい多孔質導電材からなる多孔質導電材層11bとを組み合わせて構成されている。緻密導電材層11aと多孔質導電材層11bとは、図1(a)に示すように、燃料電池セル2側の接続面および金属層10の接続面において、並列かつ交互に複数並ぶように配置されている。図1(b)は、導電材層11を図1(a)において上面から見た平面図である。図1(b)に示すように、緻密導電材層11aは燃料電池セル2との接続面および金属層10との接続面において面方向に延びるように形成されている。緻密導電材層11aは、主に燃料電池セル2と金属層10とを電気的に接続する役割を果たし、多孔質導電材層11bは、主に緻密導電材層11aの形状を保持する役割を果たす。   The conductive material layer 11 is configured by combining a dense conductive material layer 11a made of a dense conductive material having a low porosity and a porous conductive material layer 11b made of a porous conductive material having a high porosity. As shown in FIG. 1A, the dense conductive material layer 11a and the porous conductive material layer 11b are arranged in parallel and alternately on the connection surface on the fuel cell 2 side and the connection surface of the metal layer 10. Has been placed. FIG.1 (b) is the top view which looked at the electrically conductive material layer 11 from the upper surface in Fig.1 (a). As shown in FIG. 1B, the dense conductive material layer 11 a is formed to extend in the surface direction on the connection surface with the fuel cell 2 and the connection surface with the metal layer 10. The dense conductive material layer 11a mainly serves to electrically connect the fuel cells 2 and the metal layer 10, and the porous conductive material layer 11b serves mainly to maintain the shape of the dense conductive material layer 11a. Fulfill.

図5に、導電材層11を図1(b)においてI−I方向に見た断面図を示す。例えば、熱サイクルが加わった場合などに、導電材層11と金属層10および/または燃料電池セル2との間に部分的に剥離が起こることがある。図5においては、導電材層11と金属層10との間に部分的な剥離部(空隙)14が生じた場合を示している。このように導電材層11と金属層10との間に剥離部14が生じても、平面方向(図中のY軸方向)への導電パスが保持されるために、電気的接続の信頼性をより高くすることが可能である。   FIG. 5 is a cross-sectional view of the conductive material layer 11 as viewed in the II direction in FIG. For example, when a heat cycle is applied, separation may occur partially between the conductive material layer 11 and the metal layer 10 and / or the fuel cell 2. FIG. 5 shows a case where a partial peeling portion (void) 14 is generated between the conductive material layer 11 and the metal layer 10. Thus, even if the peeling portion 14 occurs between the conductive material layer 11 and the metal layer 10, the conductive path in the plane direction (Y-axis direction in the drawing) is maintained, so that the reliability of electrical connection Can be made higher.

比較のために、図6(a)および(b)には、導電材層21が緻密導電材21aと多孔質導電材21bとの組み合わせで形成され、緻密導電材21aが、上面(図1(b)と同じ方向)から見た際にドット状となるように形成されている場合(比較例)を示す。図6(a)は導電材層21を上面から見た平面図、図6(b)は、導電材層21を図6(a)においてII−II方向に見た断面図を示す。電気的接続を担う部分がドット状に形成されている導電材層21の場合には、導電材層21と金属層10との間に剥離部24が生じると、導通が部分的に途切れてしまう場合がある。よって、燃料電池1においては、上記のように緻密導電材層11aと多孔質導電材層11bとを、緻密導電材層11aが金属層10および/または燃料電池セル2との接続面において面方向に延びるように形成することで、電気的接続の信頼性を効果的に高めることができる。   For comparison, in FIGS. 6A and 6B, a conductive material layer 21 is formed by a combination of a dense conductive material 21a and a porous conductive material 21b, and the dense conductive material 21a is formed on the top surface (FIG. A case (comparative example) in which dots are formed when viewed from the same direction as b) is shown. 6A is a plan view of the conductive material layer 21 as viewed from above, and FIG. 6B is a cross-sectional view of the conductive material layer 21 as viewed in the II-II direction in FIG. 6A. In the case of the conductive material layer 21 in which the portion responsible for electrical connection is formed in a dot shape, when the peeling portion 24 is generated between the conductive material layer 21 and the metal layer 10, conduction is partially interrupted. There is a case. Therefore, in the fuel cell 1, the dense conductive material layer 11 a and the porous conductive material layer 11 b are arranged in the plane direction on the connection surface between the dense conductive material layer 11 a and the metal layer 10 and / or the fuel cell 2 as described above. Therefore, the reliability of electrical connection can be effectively increased.

図6の構成の導電材層21の場合で、パワーサイクル試験(2000時間、約1000サイクル、周囲温度約750℃)を行うと、劣化率が、例えば3%程度であるとき、本実施形態の構成の導電材層11を用いると、同条件での劣化率は2%程度まで抑制可能になる。   In the case of the conductive material layer 21 having the configuration of FIG. 6, when a power cycle test (2000 hours, about 1000 cycles, ambient temperature about 750 ° C.) is performed, the deterioration rate is about 3%, for example. When the conductive material layer 11 having the configuration is used, the deterioration rate under the same condition can be suppressed to about 2%.

本実施形態においては、導電材層11を構成する材料は、導電セラミックス材料であるLaSrMnO(LSM:Lanthanum Strontium Manganite)からなる。多孔質導電材層11bは、LSMにカーボン等の消失材を含有させて焼結を行うことによって、焼結時に前記消失材を消失させて形成することができる。このように、同一の材料の緻密性を変えることで緻密導電材層11aおよび多孔質導電材層11bを形成することができる。あるいは、緻密導電材層11aと多孔質導電材層11bとを、異なる材料を用いて形成することもできる。 In the present embodiment, the material constituting the conductive material layer 11 is made of LaSrMnO 3 (LSM: Lanthanum Strontium Manganite) which is a conductive ceramic material. The porous conductive material layer 11b can be formed by causing the LSM to contain a disappearing material such as carbon and sintering so that the disappearing material disappears during sintering. Thus, the dense conductive material layer 11a and the porous conductive material layer 11b can be formed by changing the denseness of the same material. Alternatively, the dense conductive material layer 11a and the porous conductive material layer 11b can be formed using different materials.

もっとも、上記導電材層11を構成する材料は特に限定されず、良好な導電性を有していればよい。例えば、導電セラミックス材料であれば、ABOあるいはABO(A:希土類を1種含む、B:遷移元素を1種含む)の結晶構造を有する材料があげられる。具体的には、前述のLSM、LaSrCoO、LaSrCoFeO、MnCoO、SmSrCoO、LaCaMnO、LaCaCoO、LaCaCoFeO、LaNiFeO、(LaSr)NiOなどを使用することができる。これらの材料は、電気伝導性を持つため、導電材層11とすることで燃料電池セル間の電気抵抗を小さくすることができ、スタック特性を向上させることができる。 But the material which comprises the said electrically-conductive material layer 11 is not specifically limited, What is necessary is just to have favorable electroconductivity. For example, in the case of a conductive ceramic material, a material having a crystal structure of ABO 3 or A 2 BO 4 (A: one kind of rare earth, B: one kind of transition element) can be mentioned. Specifically, the above-mentioned LSM, LaSrCoO 3 , LaSrCoFeO 3 , MnCoO 3 , SmSrCoO 3 , LaCaMnO 3 , LaCaCoO 3 , LaCaCoFeO 3 , LaNiFeO 3 , (LaSr) 2 NiO 4, etc. can be used. Since these materials have electrical conductivity, the electrical resistance between the fuel cells can be reduced by using the conductive material layer 11, and the stack characteristics can be improved.

緻密導電材層11aは、前記の導電セラミックス材料の他に、Pt、Pd、Ag、Au、Ru、Rh、Ni、Fe、Crおよびこれらの金属を主体とする合金からなる群から選択された少なくとも1種の金属を主体とすることも好ましい。これらは、導電率の高い材料であるため、緻密導電材層11aとすることでセル間の電気抵抗を小さくすることができ、スタック特性を向上させることができる。なお、本明細書において、主体とするとは、1/2以上を占めることを意味する。   The dense conductive material layer 11a is at least selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Au, Ru, Rh, Ni, Fe, Cr and alloys mainly composed of these metals in addition to the conductive ceramic material. It is also preferable that the main component is one kind of metal. Since these are materials having high conductivity, the electrical resistance between the cells can be reduced by using the dense conductive material layer 11a, and the stack characteristics can be improved. In this specification, “mainly” means to occupy 1/2 or more.

多孔質導電材の気孔率は、20〜90%の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは40〜80%の範囲内である。また、緻密導電材の気孔率は、0%であることが最も好ましいが、0〜20%の範囲内にあればよく、好ましくは0〜10%の範囲内である。ここで、気孔率とは、焼結前の状態で算出される気孔率を意味し、導電材層を形成する際の、消失材体積が全体の体積に占める割合によって定義される値である。   The porosity of the porous conductive material is preferably in the range of 20 to 90%, more preferably in the range of 40 to 80%. Further, the porosity of the dense conductive material is most preferably 0%, but it may be in the range of 0 to 20%, preferably in the range of 0 to 10%. Here, the porosity means the porosity calculated in the state before sintering, and is a value defined by the ratio of the lost material volume to the total volume when the conductive material layer is formed.

多孔質導電材の気孔率が前記範囲内にあると、スタック時における燃料電池セル2および金属層10の凹凸に追従することができ、好ましい。また、緻密導電材の気孔率が前記範囲内にあると、電気伝導率を高めることができ、好ましい。   When the porosity of the porous conductive material is within the above range, it is possible to follow the unevenness of the fuel cell 2 and the metal layer 10 during stacking, which is preferable. Moreover, when the porosity of the dense conductive material is within the above range, the electrical conductivity can be increased, which is preferable.

導電材層11は、例えば、異なる焼結性を有する導電セラミックスシートを交互に重ね合わせたものを共焼結して、または、導電セラミックスシートと金属シートとを交互に重ね合わせたものを共焼結して作製することができる。   For example, the conductive material layer 11 may be obtained by co-sintering alternately stacked conductive ceramic sheets having different sinterability, or co-fired by alternately stacking conductive ceramic sheets and metal sheets. It can tie and produce.

導電材層11を構成する各層の幅は、緻密導電材層11aは0.1〜0.5mmの範囲内に、多孔質導電材層11bは0.3〜1.0mmの範囲内にあることが好ましい。また、緻密導電材層11aの幅と多孔質導電材層11bの幅との比率は、1:3〜1:10の範囲内にあることが好ましい。また、導電材層11の導電率は高いほどよく、緻密導電材層11aの固有面積抵抗は、15mΩcm以下であることが好ましく、多孔質導電材層11bの固有面積抵抗は、20mΩcm以下であることが好ましい。 The width of each layer constituting the conductive material layer 11 is such that the dense conductive material layer 11a is in the range of 0.1 to 0.5 mm, and the porous conductive material layer 11b is in the range of 0.3 to 1.0 mm. Is preferred. The ratio of the width of the dense conductive material layer 11a and the width of the porous conductive material layer 11b is preferably in the range of 1: 3 to 1:10. The higher the conductivity of the conductive material layer 11 is, the better the specific area resistance of the dense conductive material layer 11a is preferably 15 mΩcm 2 or less, and the specific area resistance of the porous conductive material layer 11b is 20 mΩcm 2 or less. Preferably there is.

さらに、本実施形態においては、接合部4は、上記発電部2b,2c,2d,2eを電気的に接続している接合部とは別の領域において、接着材層12およびスペーサ13の積層構造を有する。ここで、スペーサ13は必ずしも設けられなくともよいが、燃料電池セル2,2間の距離が大きい場合、接着を容易とするために用いることが望ましい。このようなスペーサ13を構成する材料としては、特に限定されないが、燃料電池セル2を構成しているセラミックスと熱膨張係数が近い材料が望ましい。接着材層12を構成する材料は、特に限定されないが、燃料電池セル2,2間または燃料電池セル2とスペーサ13との間で良好な接着性を発現する材料が望ましく、例えば、結晶化ガラス等を用いることができる。   Furthermore, in the present embodiment, the bonding portion 4 is a laminated structure of the adhesive layer 12 and the spacer 13 in a region different from the bonding portion that electrically connects the power generation portions 2b, 2c, 2d, and 2e. Have Here, the spacer 13 does not necessarily need to be provided, but it is desirable to use the spacer 13 for facilitating adhesion when the distance between the fuel cells 2 and 2 is large. The material constituting the spacer 13 is not particularly limited, but a material having a thermal expansion coefficient close to that of the ceramic constituting the fuel cell 2 is desirable. Although the material which comprises the adhesive material layer 12 is not specifically limited, The material which expresses favorable adhesiveness between the fuel cell 2 and 2 or between the fuel cell 2 and the spacer 13 is desirable, for example, crystallized glass Etc. can be used.

本実施形態において、固体酸化物形燃料電池1は、焼成済みの燃料電池セル2(セルスタック)と金属層10およびスペーサ13との間に、成形した導電材層11および接着材層12を挟むように配置して、上から荷重をかけた状態で熱処理を行うことで得ることができる。   In the present embodiment, the solid oxide fuel cell 1 sandwiches the molded conductive material layer 11 and the adhesive material layer 12 between the fired fuel cell 2 (cell stack), the metal layer 10 and the spacer 13. It can obtain by performing heat processing in the state where the load was applied from above.

(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態の燃料電池に用いられている導電材層を上面から見た平面図である。本実施形態においては、緻密導電材層11aは、多孔質導電材層11b間において、燃料電池セル2と金属層10とを結ぶ方向に間隙15を有している。すなわち、緻密導電材層11aを、多孔質導電材層11bの端部から端部まで連続して設けず、一定の長さで区切るように配置する。このような態様とすることで、焼結時の収縮によるクラックの発生を抑制することが可能となる。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a plan view of the conductive material layer used in the fuel cell according to the second embodiment of the present invention as seen from above. In the present embodiment, the dense conductive material layer 11 a has a gap 15 in the direction connecting the fuel cell 2 and the metal layer 10 between the porous conductive material layers 11 b. That is, the dense conductive material layer 11a is not provided continuously from the end to the end of the porous conductive material layer 11b, but is arranged so as to be separated by a certain length. By setting it as such an aspect, it becomes possible to suppress generation | occurrence | production of the crack by the shrinkage | contraction at the time of sintering.

(第3の実施形態)
図8は、本発明の第3の実施形態の燃料電池に用いられている導電材層を上面から見た平面図である。本実施形態においては、緻密導電材層11aは、前記第2の実施形態と同様に、間隙15を有して設けられている。そして、間隙15の位置に対応するように、多孔質導電材を配している。このように、緻密導電材層11aを区切って形成した部分にも導電セラミックス等からなる多孔質導電材を配することで、緻密導電材層11aを固定して、さらに高い電気的接続の信頼性を実現することが可能となる。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a plan view of the conductive material layer used in the fuel cell according to the third embodiment of the present invention as seen from above. In the present embodiment, the dense conductive material layer 11a is provided with a gap 15 as in the second embodiment. A porous conductive material is disposed so as to correspond to the position of the gap 15. Thus, by disposing the porous conductive material made of conductive ceramics or the like on the portion formed by dividing the dense conductive material layer 11a, the dense conductive material layer 11a is fixed, and the reliability of electrical connection is further increased. Can be realized.

このように、金属層と燃料電池セルとを電気的に接続する導電材層を設け、この導電材層を特定の構造とすることで、熱サイクルが加わった場合などに層間の剥離などが生じたとしても、層間の電気的接続を維持することができ、電気的接続の信頼性が高められている、固体酸化物形燃料電池を得ることができる。   In this way, by providing a conductive material layer that electrically connects the metal layer and the fuel cell, and making this conductive material layer have a specific structure, delamination between layers occurs when a thermal cycle is applied. Even so, it is possible to obtain a solid oxide fuel cell in which the electrical connection between the layers can be maintained and the reliability of the electrical connection is enhanced.

1…燃料電池
2…燃料電池セル
2a 流路構成部
2b,2c,2d,2e 発電部
4 接合部
5 セパレータ
5a,5b 貫通孔
5c インターコネクタ
6 燃料極層
6a,6b スリット
7 固体酸化物電解質層
7a,7b 貫通孔
8 空気極層
8a,8b スリット
9 セパレータ
9a,9b 貫通孔
9c インターコネクタ
10 金属層
11 導電材層
11a 緻密導電材層
11b 多孔質導電材層
12 接着材層
13 スペーサ
14,24 剥離部
15 間隙
21 導電材層
21a 緻密導電材
21b 多孔質導電材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Fuel cell 2a Flow path structure part 2b, 2c, 2d, 2e Power generation part 4 Joint part 5 Separator 5a, 5b Through-hole 5c Interconnector 6 Fuel electrode layer 6a, 6b Slit 7 Solid oxide electrolyte layer 7a, 7b Through hole 8 Air electrode layer 8a, 8b Slit 9 Separator 9a, 9b Through hole 9c Interconnector 10 Metal layer 11 Conductive material layer 11a Dense conductive material layer 11b Porous conductive material layer 12 Adhesive layer 13 Spacers 14, 24 Peeling portion 15 Gap 21 Conductive material layer 21a Dense conductive material 21b Porous conductive material

Claims (7)

複数の燃料電池セルが積層されている構造を有する固体酸化物形燃料電池であって、
積層されている複数の固体酸化物形燃料電池セルと、
燃料電池セル同士が積層されている部分において、一方の燃料電池セルと、他方の燃料電池セルとの間に配置されている金属層と、
前記金属層と、前記燃料電池セルとを電気的に接続するように前記金属層と前記燃料電池セルとの間に配置されている導電材層とを備え、
前記導電材層は、気孔率の小さい緻密導電材からなる緻密導電材層と、気孔率の大きい多孔質導電材からなる多孔質導電材層とを組み合わせて構成されており、
前記緻密導電材層は、前記燃料電池セルと前記金属層とを電気的に接続しており、
前記緻密導電材層と前記多孔質導電材層とは、前記燃料電池セル側の接続面および前記金属層側の接続面において、並列かつ交互に複数並ぶように配置されている、固体酸化物形燃料電池。
A solid oxide fuel cell having a structure in which a plurality of fuel cells are stacked,
A plurality of stacked solid oxide fuel cells, and
In the portion where the fuel cells are stacked, a metal layer disposed between one fuel cell and the other fuel cell,
A conductive material layer disposed between the metal layer and the fuel cell so as to electrically connect the metal layer and the fuel cell;
The conductive material layer is configured by combining a dense conductive material layer made of a dense conductive material having a low porosity and a porous conductive material layer made of a porous conductive material having a high porosity,
The dense conductive material layer electrically connects the fuel cell and the metal layer,
The dense conductive material layer and the porous conductive material layer are arranged in parallel and alternately in a plurality on the connection surface on the fuel cell side and the connection surface on the metal layer side. Fuel cell.
前記緻密導電材層は、前記多孔質導電材層間において、前記燃料電池セルと前記金属層とを結ぶ方向に間隙を有している、請求項1記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the dense conductive material layer has a gap in a direction connecting the fuel cell and the metal layer between the porous conductive material layers. 前記間隙部分には、気孔率の大きい多孔質導電材が配されている、請求項2記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein a porous conductive material having a high porosity is disposed in the gap portion. 前記多孔質導電材の気孔率は、20〜90%の範囲内にある、請求項1から3のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein a porosity of the porous conductive material is in a range of 20 to 90%. 前記多孔質導電材は、LaSrMnO、LaSrCoO、LaSrCoFeO、MnCoO、SmSrCoO、LaCaMnO、LaCaCoO、LaCaCoFeO、LaNiFeO、(LaSr)NiOからなる群から選択された少なくとも1種の材料を主体とする導電セラミックスである、請求項1から4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The porous conductive material is, LaSrMnO 3, LaSrCoO 3, LaSrCoFeO 3, MnCoO 3, SmSrCoO 3, LaCaMnO 3, LaCaCoO 3, LaCaCoFeO 3, LaNiFeO 3, at least one selected from the group consisting of (LaSr) 2 NiO 4 5. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell is a conductive ceramic mainly composed of the above material. 前記緻密導電材の気孔率は、0〜20%の範囲内にある、請求項1から5のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein a porosity of the dense conductive material is in a range of 0 to 20%. 前記緻密導電材は、LaSrMnO、LaSrCoO、LaSrCoFeO、MnCoO、SmSrCoO、LaCaMnO、LaCaCoO、LaCaCoFeO、LaNiFeO、(LaSr)NiOからなる群から選択された少なくとも1種の材料を主体とする導電セラミックス、または、Pt、Pd、Ag、Au、Ru、Rh、Ni、Fe、Crおよびこれらの金属を主体とする合金からなる群から選択された少なくとも1種の金属を主体とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。

The dense conductive material, LaSrMnO 3, LaSrCoO 3, LaSrCoFeO 3, MnCoO 3, SmSrCoO 3, LaCaMnO 3, LaCaCoO 3, LaCaCoFeO 3, LaNiFeO 3, at least one selected from the group consisting of (LaSr) 2 NiO 4 Conductive ceramic mainly composed of material, or mainly composed of at least one metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Au, Ru, Rh, Ni, Fe, Cr and alloys composed mainly of these metals The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6.

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